【化学技術部】

寝具及び衣料製品の熱伝導特性（放射及び熱伝導）の評価方法の検討（第１報）

加藤三貴（化学技術部
薩本

１．

２．

はじめに私たちが毎日着ている衣料製品に求められる基本的な環境評価グループ）
弥生（横浜国立大学）

実験（１）恒温機密容器機能として“暖かさ（保温性）”がある。近年は、衣料製品の基本的な機能である静止空気を含むことによる消極的

本実験での遠赤外線分光放射率は、パーキンエルマー社
製 Frontier FT IR/NIR の外部光源取り込みポート部分に、保温だけではなく、吸湿発熱性や放射特性などの付加価値を加えた機能性繊維を用いた積極的保温による“暖かさ”試作した恒温気密容器を接続することにより測定を行った。したがって、遠赤外線の放射率の輝度情報は、1.2μ～を追求した衣料製品の開発がアパレル業界に求められている。

25μ までの感度を有しているが、窓材で使用する ZnSe の光学特性により、測定は超範囲を５～１５μ の範囲で遠赤もちろん繊維製品である寝具にも衣料製品と同様に“暖かさ”が求められている。これらは、温熱快適性という機外線分光放射率の測定を行った。
最初に試作した恒温気密容器の仕様特性について確認

能性として共通であり、いずれも繊維製品の機能性評価として重要なキーワードとなっている。

を行った。恒温気密容器の内面からの放射加熱により試料を加熱するが、まず、その試料が置かれている環境での背機能性として見た“暖かさ”を理解する上で 3 つの熱伝導形態を区別する必要がある。1 つ目は接した物質同士の伝景放射特性を試料設置部で検証した。２つ目に窓材の光学特性を検証したところ、５～１５μ の範囲で透過率が約導による熱移動、2 つ目は空気や水などを介在した対流による熱移動、3 つ目に真空中でも伝わる放射による熱移動70％あり、当初予想した特性の範囲であることを確認した。
3 つ目に恒温気密容器の表面の温度と容器内の温度の昇温である。本来の衣料製品や寝具などの“暖かさ”の評価では、この３つの熱移動形態を総合的に判断することが必要で到達時間と安定性について検証したところ、容器の温度は約 1 時間必要であることがわかった。次に容器内温度につある。しかし、例えば JIS 規格の保温性評価「JISL1096」などは、主に伝導による熱移動を評価対象としており、対いては、約 2 時間で一定温度（約 50℃）になることがわかった。4 つ目に恒温気密容器の内部温度の変動は、繊維流による熱移動をいわば変動因子のように捉えて極力対流が少ない状況での測定が行われている。

材料で標準偏差 0.100℃、金属製のサンプルホルダーで0.049℃、標準試料である炭化珪素（SiC）の円盤で 0.053℃

更に、これらの評価に対して放射による熱移動を評価に加えた“暖かさ”の評価は、見当たらない。そこで、本研究であることがわかった。なお恒温気密容器の温度設定値と内部に設置した試料の温度は、放射輝度の差異から検証すでは、評価対象の繊維製品を減圧環境（真空環境下）で計測することにより、対流の効果を抑制し、放射による熱移ると、50±0.18℃で放射輝度は 1％の変動があり、50±0.37℃で 2％の変動があることがわかった。なお、従来ラウンド

動に特化した“暖かさ”の評価方法を検討することにした。
この方法は、これまでに無かった評価方法であるので、ロビンテストなどで標準資料として使用していた SiC を測定すると、放射率の波長に対する挙動は同じ傾向を示しまずは対流の影響を抑制しながら測定可能な装置の試作および評価方法の検討を行った。その結果、水分や二酸化ており、恒温気密容器をとりつけた遠赤外線放射率測定装置全体が、妥当性のあるものであることがわかった。装置

炭素の影響を低減した装置が完成し、また、いくつかのサンプルにおいてその装置及び測定方法の有効性が確認でがおおよそ完成したところで、この装置を活用して特定の材料に対してどのような測定となるのか検討した。

きたので報告する。
なお、この研究は、機械システム振興協会が行っている（２）測定試料「平成 30 年度イノベーション戦略策定事業」に一般社団法人遠赤外線協会が応募し採択された事業の一部で行わ紙面の制約により、様々な試料を用いて検討した実験結果をすべて掲載することができないので、本稿では、多孔れた研究である。

性試料である低密度ポリウレタンスポンジ（以下赤スポンジ）を用いて、大気中での計測環境で多孔性繊維集合体試

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【化学技術部】

料の構成要因が放射特性に及ぼす影響について検討した

表２ 放射率の測定方法に関する JIS 規格一覧

結果のみ記載する。詳細について興味のある方は、一般財団法人機械システム振興協会から公開される報告書を参

規格番号
JIS A 1423

照してほしい。
赤スポンジの諸元を表１に示す。

名称

制定年月日

赤外線放射温度計による垂直放射

1983/03/01

率の簡易測定方法
JIS R 1693-1

ファインセラミックス及びセラミ2012/06/20

ックス複合材料の放射率測定―第表１

赤スポンジの諸元

１部―

厚みδ(m)*1

Vf (%)k (m )

ρ組成2.00×10-3

3.56

1.59×10-6

1.15ポリウレタン*1*23*3

JIS R 1693-2

ファインセラミックス及びセラミ2012/06/20

ックス複合材料の放射率測定―第２部―

繊維の体積分率, *2：試料の見かけの体積，*3：繊維の比重

JIS R 1693-3

赤スポンジの外観は、図１の通りである。

ファインセラミックス及びセラミ2012/06/20

ックス複合材料の放射率測定―第３部―
JIS R 1801

遠赤外線ヒータに放射部材として2002/03/20

用いられるセラミックスの FTIR による分光放射率測定方法
JIS R 1803

遠赤外ヒータの遠赤外線域におけ

2005/03/20

る分光放射エネルギーの測定方法
図１

赤スポンジの外観ているため、参考とはなるがこのまま測定できないことがこの赤スポンジを積層することにより、試料の厚みによっわかった。て、観測結果がどのように変化するのか検討した。
なお、試料の積層および裏面にアルミ箔を設置しない場（２）試作装置の開発
上記のような測定方法に関する規格の状況を考慮し、試合と設置した場合を組み合わせて検討した（表２）。
表２作装置が具備する必要な要件を検討した結果、以下のとおりになった。①背景放射の処理についてどのように課題解

赤スポンジの積層時の計測組合せ

試料背面のアルミ箔の有無
2mm 厚無し

有り

4mm 厚無し

有り

8mm 厚-有り

55mm 厚無し-

決するか、②大気中の水蒸気による吸収によって生じる課題をどのように解決するか、③大気中の二酸化炭素による吸収によって生じる課題をどのように解決するか、④測定環境中で温度差によって生じる空気の対流をどのように抑制するかの４つの課題が想定された。
①の課題については、背景放射として、測定対象を設置する試料台の周辺の状況や測定装置そのものからの放射などがあるが、ひとまず試料の設置場所に放射率の小さい恒温気密容器内の試料設置部に、何も置かずに測定した
場合、その時の放射輝度は擬似黒体とほぼ同等であることが測定されている。それゆえ、試料裏にアルミ箔を置かな（反射率の大きい）金メッキミラーを設置することによる周辺環境からの背景放射を実測することにした。②、③のい場合は疑似黒体が裏にある場合と同等と考えられる。また、アルミ箔を裏面に設置することでアルミ箔を薄くして課題は、測定環境として恒温気密容器をつくることにより、真空（減圧）もしくは乾燥窒素を充填させることにより、も裏面からの放射の影響を排除して評価できると考えた。
そこで、実験は試料裏面にアルミ箔を置くか、アルミ箔を測定系から水蒸気や二酸化炭素を排除することにした。④の空気の対流を抑制する方法は、恒温気密容器が真空（減置かない疑似黒体内に設置した条件で実験を行った。

圧）されていれば、原理的に対流はおこらない。それ以外にも単一の乾燥された気体が均一に加熱されていれば、そ３．の気体の密度差が生じないため原理的に対流が抑制されると考えて装置を設計、試作した。

結果と考察（１）放射率測定に関する規格の調査
本研究を進めるにあたり、放射率測定方法に関する JIS規格について調査をした結果、表２のような結果となった。
これらの規格の中では、JIS R1801 が本研究の装置構成と一番似ているが、JIS R1801 の記載では前述したように含気率の大きなサンプルへの対応は難しく、また試験対最後に、観測用の窓の設計が課題として残った。その窓材が備える要件として、赤外線波長域に透明で、かつある程度の機械的強度を持つ材料である必要がある。その候補として、ゲルマニウム（Ge）およびセレン化亜鉛（ZnSe）を選定したが最終的には、透過率の大きさや透過範囲からZnSe を選定した。

象がセラミックス材料であり、測定対象の温度域も異なっ

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【化学技術部】

これらのことを考慮したいわゆる恒温気密容器を設計し、試作した。
（装置の概略図を図２）に示す。
○黒体とサンプル、疑似黒体の放射輝度をFT-IR本体 測定し、放射率を算出
検出器

温度コントローラー
黒体炉

従来の測定
装置部分
鏡筒

本年度の研究で製作した部分

乾燥
窒素
窓材
（ZnSe)

スライド可能三方コック

恒温気密容器

真空計
P
Pt測温
抵抗体

データロガー（温度）

減圧（真空）ポンプ温度コントローラー○容器温度○サンプルホルダー温度をロギング

図２

装置の概略図
図 4 赤スポンジの測定結果

なお、これらの試作した恒温気密容器を用いれば、図３のような二酸化炭素と水蒸気の吸収による影響を除去し偏差と平均値から、ちなみに変動係数を算出すると 5μm～15μm の範囲で約±2％であった。以上の実験では、厚さながら ZnSe の窓材による信号減少の結果が得られることを期待して設計を行った。

図３の影響もアルミ箔の有無の影響も見いだすことができなかった。

窓材越しに観測される理想黒体の輝度曲線（予想）（３）多孔質材料の測定
図 4 に、積層した赤スポンジの放射率の測定結果を示し

図 5 波長 10μm での赤スポンジの厚さと放射率

図 6 は、1 枚（2mm 厚）～4 枚（8mm 厚）の 4 種で測た。測定は、機密容器内に試料を設置し、機密容器内には乾燥窒素を満たして測定した。測定に用いた試料は、赤ス定した結果である。赤スポンジ 1 枚（2mm 厚）の場合は他に比して明らかに低い放射率を示している。

ポンジを重ねたもので、2 枚（4mm）、3 枚（6mm）、4 枚（8mm）と 55mm で、試料の裏面はアルミ箔のある場合とない場合の 1 種類である。測定回数は、2 枚（4mm）が 4回、3 枚（6mm）が 2 回、その他は各 1 回である。複数回測定した場合はその平均をデータとして用いている。これらのデータ中で、2 枚（4mm）のみ標準偏差を付け加えている。図中のエラーバーが標準偏差を示している。
図 4 の縦軸の放射率は厚さやアルミ箔の有無による違いを示すために、0.8～1.0 の範囲を拡大して表示している。
図４では、厚さやアルミ箔の有無による傾向は認められず、様々な実験条件のデータが混在している。
図 5 はそれを明確にするために、波長 10μm における放射率を厚さに対してプロットした。ここでは、アルミ箔付きの試料を対象としている。この図からも 5％ほどのばら

図 6 赤スポンジの放射率（裏面アルミ箔）つきの下、厚さに対する依存性は認められない。先の標準赤スポンジの放射率は図 4 と図 6 のデータ群から 1 枚

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【化学技術部】（2mm 厚）の場合を除いて平均化し、それに標準偏差を重ね合わせると図 7 となる。低波長域の水分と 15μm 付近の炭酸ガスの影響のある波長域の変動が幾分大きく観測されている。

図 7 放射率の変動

試料裏にアルミ箔を設置してスポンジの枚数による影響を検討したところ、1 枚（2mm）の時に放射率がそれ以上の厚みの時と比較して小さくなった。これは、裏に設置したアルミ箔の位置以降に試料が存在するとした時の放射がアルミ箔によって阻害されたためと考えられる。それ以上の厚みでは、55mm（アルミ箔無）でも放射率は 2-8mm（裏アルミ箔）と近似値であったため、厚み方向に影響せず一定の誤差範囲にあると考えられた。

４．

まとめ

本研究で用いた装置により、乾燥窒素中において、水蒸気の影響を低減しながら測定する効果が確認できた。気密性容器内で水蒸気や二酸化炭素の影響を排除しながら繊維製品の暖かさに関する評価ができることがわかった。
今後、減圧（真空）環境での測定を試み、測定対象を拡張するとともに、測定装置や測定方法の改良を予定している。装置や測定方法の妥当性を確認しながら、本装置の評
価方法により繊維材料を中心とした新規の機能性繊維が開発されていくことを期待している。

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